Penulis
:
Siti Faizah, M.Pd. ; 081233158898;
fayza1103@gmail.com
Pancayani Dinihari, M.Pd. ;
Penelaah
:
Aman Santoso ;
Copyright 2016
Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
i
KATA SAMBUTAN
Peran guru professional dalam proses pembelajaran sangat penting sebagai kunci keberhasilan belajar siswa. Guru professional adalah guru yang kompeten membangun proses pembelajaran yang baik sehingga dapat menghasilkan pendidikan yang berkualitas. Hal tersebut menjadikan guru sebagai komponen yang menjadi fokus perhatian pemerintah pusat maupun pemerintah daerah dalam peningkatan mutu pendidikan terutama menyangkut kompetensi guru. Pengembangan profesionalitas guru melalui program Guru Pembelajar (GP) merupakan upaya peningkatan kompetensi untuk semua guru. Sejalan dengan hal tersebut, pemetaan kompetensi guru telah dilakukan melalui uji kompetensi guru (UKG) untuk kompetensi pedagogik dan profesional pada akhir tahun 2015. Hasil UKG menunjukkan peta kekuatan dan kelemahan kompetensi guru dalam penguasaan pengetahuan. Peta kompetensi guru tersebut dikelompokkan menjadi 10 (sepuluh) kelompok kompetensi. Tindak lanjut pelaksanaan UKG diwujudkan dalam bentuk pelatihan guru pasca UKG melalui program Guru Pembelajar. Tujuannya untuk meningkatkan kompetensi guru sebagai agen perubahan dan sumber belajar utama bagi peserta didik. Program Guru Pembelajar dilaksanakan melalui pola tatap muka, daring (online), dan campuran (blended) tatap muka dengan online.
Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidikdan Tenaga Kependidikan (PPPPTK), Lembaga Pengembngan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Kelautan Perikanan Teknologi Informasi dan Komunikasi (LP3TK KPTK), dan Lembaga Pengembangan dan Pemberdayaan Kepala Sekolah (LP2KS) merupakan Unit PelaksanaTeknis di lingkungan Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan yang bertanggung jawab dalam mengembangkan perangkat dan melaksanakan peningkatan kompetensi guru sesuai bidangnya. Adapun perangkat pembelajaran yang dikembangkantersebutadalahmoduluntuk program Guru Pembelajar (GP) tatap mukadan GP online untuk semua mata pelajaran dan kelompok kompetensi. Dengan modul ini diharapkan program GP memberikan sumbangan yang sangat besar dalam peningkatan kualitas kompetensi guru.
Mari kita sukseskan program GP ini untuk mewujudkan Guru Mulia Karena Karya.
Jakarta, Februari 2016 Direktur Jenderal
Guru dan Tenaga Kependidikan
iii
DAFTAR ISI
KATA SAMBUTAN ... I DAFTAR ISI ... III DAFTAR GAMBAR ... V DAFTAR TABEL ... VII DAFTAR LAMPIRAN ... VII
PENDAHULUAN ... 1
A. Latar belakang ... 1
B. Tujuan Pembelajaran ... 2
C. Peta Kompetensi ... 3
D. Ruang Lingkup ... 3
E. Saran Cara Penggunaan Modul ... 3
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 : KOMPOSIT ... 5
A. Tujuan ... 5
B. Indikator Pencapaian Kompetensi ... 5
C. Uraian Materi ... 5
D. Aktifitas Pembelajaran ... 21
E. Latihan/Tugas ... 22
F. Rangkuman ... 23
KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 : KERAMIK ... 24
A. Tujuan ... 24
B. Indikator Pencapaian Kompetensi ... 24
C. Uraian Materi ... 24
D. Aktifitas Pembelajaran ... 44
E. Latihan dan Tugas ... 45
F. Rangkuman ... 46
KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 : REFRAKTORI ... 47
A. Tujuan ... 47
B. Indikator Pencapaian Kompetensi ... 47
C. Uraian Materi ... 47
iv
E. Latihan/tugas ... 61
F. Rangkuman ... 62
KEGIATAN PEMBELAJARAN 4 : PELUMAS ... 64
A. Tujuan ... 64
B. Indikator Pencapaian Kompetensi ... 64
C. Uraian Materi ... 64
D. Aktifitas Pembelajaran ... 83
E. Latihan dan Tugas ... 86
PENUTUP ... 87
A. Kesimpulan ... 87
B. Tindak Lanjut ... 87
C. Evaluasi ... 87
D. Kunci Jawaban ... 96
E. Glosarium ... 97
DAFTAR PUSTAKA ... 99
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Penggolongan bahan-bahan teknik ... Error! Bookmark not defined.
Gambar 2 Skema Bahan Penyusun Komposit ... 7
Gambar 3 Penggolongan Komposit Berdasarkan Bahan Matriks ... 12
Gambar 4 Penggolongan Komposit Berdasarkan Bahan Penguat ... 13
Gambar 5 Penggunaan material komposit pada pesawat terbang ... 16
Gambar 6 Blok Rem KA berbahan komposit ... 17
Gambar 7 Penggunaan Material Komposit Pada Perahu (Sumber.endofiberglass.com) ... 18
Gambar 8 ACP merupakan contohMaterial Komposit Struktural (Sumber: wikipediadia.org) ... 19
Gambar 9 Aplikasi ACP untuk Eksterior Wall (Sbr: www.bahanbangunandankonstruksi.com) ... 19
Gambar 10 Oil Filter Berbahan Komposit (Sumber: Dok Pribadi) ... 20
Gambar 11 Perbandingan Penggunaan Tambal Gigi Berbahan Komposit dan Amalgam (Sumber dentis.blogspot) ... 20
Gambar 12 Material Komposit sebagai Bahan Konstruksi (Sumber: print.kompas.com) ... 21
Gambar 13 Aplikasi Keramik di Berbagai Bidang (Sumber:otomotrip.com dan wikipedia.org) ... Error! Bookmark not defined. Gambar 14 Jenis-jenis Tanah Liat Bahan Keramik (Sumber senikeramilk.com) ... 31
Gambar 15 Silika Merupakan Bahan Tambahan Keramik (sumber: www.mediafilterairbandung.blogspot.com)... 34
Gambar 16 Pembentukan Keramik Dengan Teknik Cetak (Sumber .studiokeramik.com) ... 37
Gambar 17Pewarnaan Keramik dengan Oksida Logam Sumber: alisujosaputro.studiokeramik.skmn 14 bandung)... 40
Gambar 18 Insulator Berbahan Keramik (Sumber:dok Pribadi) ... 41
vi Gambar 20 Insulator Berbahan Keramik pada Busi (Sumber
sistemkelistrikan006.blogspot.com ... 43
Gambar 21 Penggunaan Refraktori (Sumber Hadi Efendi.2005) ... 48
Gambar 22 Tungku dengan Bahan Refraktori (Sumber Hadi Efendi.2005) ... 48
Gambar 23 Oksida Logam yang Menjadi Bahan Dasar Refraktori ( Sumber: Hadi Efendi.2005) ... 53
Gambar 24 Industri Pengolahan Logam (Sumber.coalmining.com) ... 55
Gambar 25 Roda Gigi dan Transmisi pada Mesin Industri (Sumber:metalurgist.com) ... 74
Gambar 26 Kode Pada Kemasan Pelumas (Sumber Otosia.com) ... 76
Gambar 27 Kode Pada Kemasan Pelumas ... 76
Gambar 28 Kode Kemasan Pelumas dengan Standar API (Sumber otosia.com) ... 77
Gambar 29 Penggunaan Multipurpose Grease ( Sumber Astra Mobil) ... 80
Gambar 30 Grease untuk roda ... 80
Gambar 31 Grease Untuk Melumasi Bearning Roda (Sumber Astra Internasional) ... 80
Gambar 32 Grease molybdenum (Sumber: Astra Internasional) ... 80
Gambar 33 Grease berbasis sabun litium (Sumber:Astra Internasional) ... 81
Gambar 34 Grease yang tahan pada temperatur tinggi (Sumber; Astra Internasional) ... 81
Gambar 35 Grease rem cakram (Sumber Astra Internasional) ... 82
Gambar 36 Grease rem cakram (Sumber Astra Internasional) ... 82
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Jenis dan Sifat Serat Gelas... 9
Tabel 2. Komposisi kimia serat gelas... 9
Tabel 3. Perbandingan sifat serat karbon,gelas,dan serat alam... 10
Tabel 4. Jenis-jenis refraktori... 57 Tabel 7. Jenis-jenis batu tahan api berdasarkan komposisi
penyusunnya... 57 Tabel 8. Pemakaian batu tahan api berdasarkan senyawa
vii
DAFTAR LAMPIRAN
1
PENDAHULUAN
A. Latar belakang
Semakin maju peradaban maka kualitas bahan yang digunakan semakin tinggi dan makin banyak pilihan bahan (variasi) yang dapat digunakan. Hal ini terjadi karena perkembangan pengetahuan dan teknik pengolahannya. Ilmu bahan atau lebih dikenal dengan istilah teknik material merupakan ilmu yang mempelajari sifat bahan dan aplikasinya terhadap berbagai bidang ilmu dan teknik. Penemuan material-material baru banyak diaplikasikan dalam berbagai jenis bidang misalnya penggunaan keramik sebagai isolator dan industri peleburan, komposit dalam dunia konstruksi pesawat terbang dan konstruksi bangunan, refraktori dalam bidang kesehatan, dan aneka jenis pelumas pada dunia transportasi.
Materi-materi baru tersebut merupakan hasil perkembangan ilmu dan teknologi yang mengalami perkembangan pesat sejak para ilmuwan menemukan hubungan sifat-sifat bahan dengan elemen struktur bahan sehingga bisa diciptakan puluhan ribu jenis bahan yang mempunyai sifat berbeda. Struktur bahan dapat dilihat dari struktur subatomik yang dapat dilihat dari susunan elektron dengan inti, atau pada level atom yaitu ditinjau dari pengaturan atom/molekul satu sama lain. Pengetahuan tentang struktur atom dan sub atom dapat dipelajari melalui ilmu kimia sehingga pengetahuan kimia sangat penting dalam perkembangan ilmu bahan.
2
penggantian suku cadang lainnya. Pemilihan jenis pelumas dengan karakteristik yang tepat dan memiliki spesifikasi yang sesuai dengan aplikasi akan sangat membantu dalam perawatan kendaraan bermotor tersebut.
Bagi guru kimia, pengetahuan akan ilmu bahan di bidang teknik akan sangat membantu dalam menyampaikan materi pembelajaran yang berhubungan langsung dengan dunia siswa SMK (kontekstual). Dengan demiukian pembelajaran kimia akan lebih bermakna (meaningful) yang pada akhirnya akan meningkatkan motivasi dan hasil belajar siswa yang selama ini menjadi kendala terbesar bagi guru-guru kimia yang mengajar di SMK.
B. Tujuan Pembelajaran
Setelah mempelajari modul ini pembaca diharapkan dapat: 1. Menjelaskan definisi komposit.
2. Menguraikan karakteristik komposit
3. Menyebutkan komponen penyusun komposit
4. Menjelaskan klasifikasi komposit berdasarkan bahan matriksnya 5. Menyebutkan klasifikasi komposit berdasarkan bahan penguatnya 6. Menguraikan aplikasi dan penggunaan komposit
7. Menjelaskan definisi keramik 8. Mendeskripsikan produksi keramik
9. Menguraikan penggunaan keramik pada bidang teknik
10. Mendeskripsikan peningkatan mutu pada keramik dengan proses glazing
11. Menjelaskan definisi refraktori
12. Mendeskripsikan karakteristik refraktori
13. Menguraikan klasifikasi dan jenis-jenis refraktori
14. Mendeskripsikan penggunaan batu tahan api, alumina dan silika 15. Mendeskripsikan definisi pelumas
16. Mendeskripsikan karakteristik pelumas 17. Menguraikan fungsi pelumas
18. Mendeskripsikan tipe dan jenis pelumas
3
C. Peta Kompetensi
D. Ruang Lingkup
1. Komposita. Pengertian dan karakteristik komposit b. Tipe dan jenis komposit
c. Keuntungan dan kerugian penggunaan komposit d. Aplikasi dan penggunaan komposit
2. Keramik
a. Pengertian
b. Produksi tembikar putih c. Penggunaan keramik
d. Peningkatan mutu keramik dengan metode glazing.
3. Refraktori
a. Pengertian dan karakteristik b. Klasifikasi refraktori
c. Penggunaan batu bata tahan api, alumina, dan silika
4. Pelumas
a. Pengertian dan fungsi pelumas b. Karakteristik pelumas
c. Tipe dan jenis pelumas d. Aplikasi pelumas
E. Saran Cara Penggunaan Modul
Untuk memperoleh hasil belajar secara maksimal, dalam menggunakan modul ini maka langkah-langkah yang perlu dilaksanakan antara lain :
4
1. Bacalah dan pahami dengan seksama uraian-uraian materi yang ada pada
masing-masing kegiatan belajar. Bila ada materi yang kurang jelas, pembaca dapat menggunakan referensi utama yang tertera dalam daftar pustaka/ referensi.
2. Kerjakan setiap tugas formatif (soal latihan) untuk mengetahui seberapa
besar pemahaman yang telah anda dimiliki terhadap materi-materi yang dibahas dalam setiap kegiatan belajar.
3. Untuk kegiatan belajar yang terdiri dari teori dan praktik, perhatikanlah
hal-hal berikut:
a. Perhatikan petunjuk-petunjuk keselamatan kerja yang berlaku. b. Pahami setiap langkah kerja (prosedur praktikum) dengan baik.
c. Sebelum melaksanakan praktikum, identifikasi (tentukan) peralatan dan bahan yang diperlukan dengan cermat.
d. Gunakan alat sesuai prosedur pemakaian yang benar.
e. Setelah selesai, kembalikan alat dan bahan ke tempat semula. f. Jika belum menguasai level materi yang diharapkan, ulangi lagi pada
5
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 : KOMPOSIT
A. Tujuan
Setelah menelaah kegiatan pembelajaran 1 ini, pembaca diharapkan dapat; 1. Menjelaskan definisi komposit.
2. Menguraikan karakteristik komposit
3. Menyebutkan komponen penyusun komposit
4. Menjelaskan klasifikasi komposit berdasarkan bahan matriksnya
5. Menyebutkan klasifikasi komposit berdasarkan bahan penguatnya
6. Menguraikan aplikasi dan penggunaan komposit
B. Indikator Pencapaian Kompetensi
1. Menjelaskan definisi komposit
2. Menguraikan komponen dan senyawa penyusun komposit
3. Menguraikan tipe-tipe komposit berdasarkan bahan matriks dan seratrnya. 4. Menjelaskan aplikasi komposit dalam teknologi tepat guna bidang teknologi
dan rekayasa.
C. Uraian Materi
1. Pengertian dan karakteristik komposit
1.1 Pengertian Komposit
Bahan teknik dapat dikelompokkan menjadi tiga jenis yaitu logam, keramik dan polimer. Klasifikasi ini didasarkan pada struktur atom dan sifat kimianya.
6
Logam merupakan material yang paling banyak digunakan pada bidang
teknik. Secara garis besar logam dikelompokkan pada dua kelompok,
yakni: logam ferro dan logam non ferro. Logam ferro meliputi: besi (iron),
baja (steel), dan besi cor (cast iron). Logam non ferro adalah logam selain
logam besi, seperti, aluminum, tembaga, magnesium, dan
paduan-paduannya. Material non logam meliputi polimer, dan keramik. Polimer
meliputi jenis polimer termoset dan termoplastis. Sedangkan keramik
meliputi keramik konvensional dan keramik modern, dari mulai gerabah,
genting ubin, alat rumah tangga, sampai pada keramik modern dan
canggih seperti semikonduktor, komponen elektronik sampai pada
komponen pesawat luar angkasa yang tahan pada suhu tinggi.
Penggunaan komposit sebagai material teknik didasarkan pada perkembangan bidang science dan teknologi yang begitu pesat sehingga mulai menyulitkan bahan konvensional seperti logam untuk memenuhi keperluan aplikasi baru. Bidang angkasa luar, perkapalan, automobil dan industri pengangkutan merupakan contoh aplikasi yang memerlukan bahan-bahan yang berdensitas rendah, tahan karat, kuat, kokoh dan tegar.
Dalam kebanyakan bahan konvensional seperti logam,walaupun kuat tetapi mempunyai densitas yang tinggi dan rapuh.
Komposit merupakan material non lohgam yang merupakan kombinasi makroskopis dari dua bahan atau lebih yang berdasarkan kombinasi sifat mekanik dan fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang lebih baik. Karena merupakan gabungan secara makroskopis maka bahan-bahan yang digabung masih bisa terlihat dengan mata telanjang. Sebagai contoh: beton, ban mobil, dan seratglass. Beton merupakan komposit gabungan semen dengan logam, yang bila beton dipotong masih teramati atau terlihat logam baja dan tembok
sebagai bahan pengisisnya. Ban mobil merupakan bahan komposit
gabungan polimer dan logam, yang bila potong, akan terlihat karet sebagai
bahan polimer dan kawat baja sebagai bahan logamnya. Serat gelas
7 pada bahan tersebut terlihat serat-serat bahan keramiknya, dan plastik
sebagai bahan polimernya.
Gabungan dari dua bahan atau lebih untuk membentuk material komposit diberikan dalam Gambar 2 yang merupakan ilustrasi dari bahan penyusun komposit.
Penyusun komposit seperti yang ditunjukkan pada gambar 2 terdiri dari matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), serat sebagai penguat (penahan beban utama), interfasa (pelekat antar dua penyusun) dan interface
(permukaan fasa yang berbatasan dengan fasa lain).
Secara struktur mikro material komposit tidak merubah material pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit berbeda dengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan antara matriks dan filler (penguat).
Syarat terbentuknya komposit adalah adanya ikatan permukaan antara matriks dan filler (penguat). Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi. Dalam sistem ikatan yang sederhana pada sebuah antar muka terjadi karena adhesi antara serat dan matriks. Adhesi dapat dikaitkan dengan lima mekanisme utama yang dapat terjadi pada antarmuka baik dalam isolasi atau dalam kombinasi untuk menghasilkan ikatan, lima mekanisme tersebut adalah:
a. Penyerapan dan pembasahan b. Interdifusi
c. Tarikan elektosatis
8
d. Ikatan kimia e. Adhesi mekanik
1.2 Bahan Penyusun Komposit a. Matrik
Matrik dalam komposit secara umum berfungsi untuk mengikat serat menjadi satu struktur komposit.
Fungsi matrik secara lebih terperinci adalah: Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur
Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat
Menyumbangkan beberapa sifat seperti kekakuan, ketangguhan dan tahanan listrik
Bahan yang banyak digunakan sebagai matrik dalam komposit adalah logam, polimer dan keramik. Hal ini akan dibahas lebih terperinci pada penggolongan komposit berdasarkan bahan matriksnya.
b. Bahan penguat atau reinforcement
Bahan penguat merupakan bahan pengisi atau filler untuk mengisi matrik. Bahan filler biasanya berupa serat atau serbuk. Serat merupakan material yang umumnya jauh lebih kuat dari matriks dan memberikan kekuatan tarik. Bahan penguat dalam komposit berperan untuk menahan beban yang diterima oleh material komposit. Sifat bahan penguat biasanya kaku dan tangguh.
Beberapa jenis serat yang umum digunakan adalah :
1) Serat gelas
(fiber glass)
Serat gelas banyak digunakan dalam industri karena bahan baku tersedia sangat banyak. Serat jenis ini biasanya digunakan sebagai penguat matrik jenis polimer. Komposisi serat gelas yang mengandung silika berguna memberikan kekerasan, flexibilitas dan kekakuan. Serat gelas merupakan bahan yang tidak mudah terbakar.
9 Tabel 1. Jenis dan sifat serat gelas
No Jenis serat
E-glass C-glass S-glass
1 Isolator listrik yang baik
Tahan terhadap korosi Modulus lebih tinggi
2 Kekakuan tinggi Kekuatan lebih rendah dari E-glass
Lebih tahan terhadap suhu tinggi
3 Kekuatan tinggi Harga lebih mahal dibanding E-glass
Harga lebih mahal dibanding E-glass
Tabel 2 Komposisi Kimia Jenis-Jenis Serat Gelas Tipe
serat
Komposisi senyawa kimia (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O B2O3 K2O BaO
E-glass 52,4 14,4 0,2 17,2 4,6 0,8 10,6 - -
C-glass 64,4 4,1 0,1 13,4 3,3 9,6 4,7 0,4 0,9
S-glass 64,4 4,4 - - 10,3 0,3 - - -
Pada Tabel 2 terlihat bahwa komposisi kimia serat gelas sebagian besar adalah SiO2 dan sisanya adalah oksida-oksida alumunium (Al), kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), dan unsur-unsur lainnya Serat gelas mempunyai banyak macam keuntungan, sebagai bahan penguat karena mudah ditarik menjadi serat berkekuatan tinggi dari keadaan lunak,mudah didapat dan dipabrikasi menjadi plastik yang diperkuat dengan serat gelas serta tahan pada lingkungan yang korosif.
2) Serat karbon
Berikut adalah beberapa sifat serat-carbon
,
yaitu sebagai berikut : Densitas karbon cukup ringan yaitu sekitar 2,3 g/cc. Mempunyai karakteristik yang ringan, kekuatan yang sangat tinggi kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.
Sebagai bahan anorganik, karbon serat tidak terpengaruh oleh kelembaban, atmosfir, pelarutan basa dan weak acid pada suhu kamar.
10
3) Serat alam
Serat alam yang banyak digunakan sebagai serat dalam material komposit antara lain serat bambu, rami, cantula dan lain sebagainya.
Berikut adalah perbandingan sifat serat karbon, serat gelas dan serat alam Tabel 3 Perbandingan Sifat Serat Karbon,Serat Gelas dan Serat Alam
Jenis serat/serat Kelebihan Kekurangan
Serat alam Tahan terhadap benturan Kekuatannya besar Harga lebih murah
Ketahanan panas rendah Kekuatan tekan rendah
Serat gelas Kekuatan tinggi Harga relatif murah
Kurang elastis
Serat karbon Kuat
Koefisien muai kecil Kuat menahaan getaran
Getas
Nilai peregangan kecil Relatif mahal
a. Interfase
Merupakan fasa atau media yang terdapat pada komposit yang
berfungsi untuk mentransfer beban dari penguat-matrik-penguat.
Interfase dapat berupa ikatan antar atom sederhana, reaksi antar
matrik atau penguatan antar lapisan. Interfase antara matrik dan
penguat dalam pembuatan komposit akan sangat berpengaruh
terhadap sifat akhir dari komposit yang terbentuk, baik sifat fisik atau
sifat mekanik. Interfase berupa ikatan yang terjadi antara matrik dan
penguat. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi. Dalam sistem ikatan yang sederhana pada sebuah antar muka terjadi karena adhesi antara serat dan matriks. Adhesi dapat dikaitkan dengan lima mekanisme utama yang dapat terjadi pada antarmuka baik dalam isolasi atau dalam kombinasi untuk menghasilkan ikatan, lima mekanisme tersebut adalah: penyerapan dan pembasahan, interdifusi, tarikan elektosatis,ikatan kimia , dan adhesi mekanik .
1.3 Karakteristik material komposit
11 logam, tahan korosi, memiliki sifat isolator panas dan suara, serta dapat dijadikan sebagai penghambat listrik yang baik, dan dapat juga digunakan untuk menambal kerusakan akibat pembebanan dan korosi.
Sifat dan karakteristik material komposit ditentukan oleh beberapa faktor yaitu: 1) Material penyusun komposit
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun dan dapat ditentukan secara teoritis sehingga akan berbanding secara proporsional. Sifat-sifat intrinsik material pembentuk memegang peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya
2) Bentuk dan struktur penyusun komposit
Bentuk dan struktur ikatan penyusun komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit. Hal ini terjadi karena bentuk serta orientasi dan ukuran tiap-tiap komponen penyusun struktur dan distribusinya akan memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara keseluruhan.
3) Interaksi antar penyusun
Interaksi antar komponen penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit. Karena komposit merupakan campuran atau kombinasi komponen-komponen yang berbeda baik dalam hal bahannya maupun bentuknya, maka sifat kombinasi yang diperoleh pasti akan berbeda
2. Penggolongan dan Jenis Komposit
Material komposit merupakan paduan atau kombinasi minimal antara dua bahan yaitu matriks dan reinforcemen (penguat). Penggolongan material komposit dapat dibedakan berdasarkan bahan matriks dan bahan penguatnya (reinforcemen).
2.`1 Penggolongan komposit berdasarkan bahan matriksnya
12
Gambar 3 Penggolongan Komposit Berdasarkan Bahan Matriks
a. MMC : Metal Matriks Composite (komposit dengan matriks logam)
Metal Matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Material komposit ini umumnya menggunakan logam alumunium sebagai matrik dan silikon karbida sebagai penguat.
Al-SiC merupakan kombinasi yang sangat sesuai dalam peningkatan performa mekanik dan ketahanan dalam kerusakan korosif. Adapun pemilihan logam Al sebagai matrik dikarenakan logam ini memiliki berat jenis yang ringan, yaitu 2,7 gr/cm3 sehingga dapat digunakan sebagai substitusi komponen pembuatan kampas rem kereta api dan bahan pembuatan piston mobil.
Secara umum penggunaan material komposit dengan menggunakan matriks logam (MMC) mempunyai kelebihan antara lain karena:
bahan ini mempunyai transfer tegangan dan regangan yang bagus memiliki ketahanan terhadap suhu tinggi
tidak menyerap kelembaban tidak mudah terbakar
memiliki kekuatan tekan dan geser yang baik.
b. CMC : Ceramic Matriks Composite (komposit dengan matrik keramik) CMC merupakan material komposit yang menggunakan keramik sebagai bahan matriknya. Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah gelas anorganic,keramik gelas, alumina, dan silikon nitrida.
Keuntungan dari material CMC antara lain :
13 2) Sangat tangguh , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari
cast iron
3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus 4) Unsur kimianya stabil pada suhu tinggi
5) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi.
c
.
PMC : Polymer Matriks Composite (komposit dengan matriks polimer) PMC merupakan komposit yang menggunakan polimer sebagai matrik atau resinnya. Komposit jenis inilah yang paling banyak kita jumpai saat ini. Penggunaannya sudah sangat banyak mulai dari plastik termoset dan termoplastik sampai bahan pakaian. Pembahasan mendalam tentang polimer ada pada modul grade 10.2.2 Penggolongan komposit berdasarkan bahan penguat
Berdasarkan bahan penguatnya material komposit dapat diklasifikasikan menjadi komposit partikel,komposit serat, dan komposit lapis.
Berdasarkan gambar diatas, pembagian komposit menurut bahan penguatnya adalah sebagai berikut:
a. Particulate Composite Materials (komposit partikel)
Komposit partikel merupakan komposit yang menggunakan partikel
14
dalam matriks. Komposit yang terdiri dari partikel dan matriks yaitu
butiran (batu, pasir) yang diperkuat semen yang kita jumpai sebagai
beton, senyawa komplek ke dalam senyawa komplek.
b. Fibrous Composite Materials (komposit serat)
Komposit serat merupakan jenis komposit yang menggunakan serat
sebagai penguat. Serat ini bisa disusun secara acak maupun dengan
orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks
seperti anyaman. Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit.
c. Fiber structural composite (komposit struktural serat)
Komposit struktural dibentuk oleh bahan penguat yang berbentuk lembaran. Berdasarkan strukturnya, komposit dapat dibagi menjadi dua yaitu struktur laminat dan struktur sandwich, ilustrasi dari kedua struktur komposit tersebut dapat dilihat dalam gambar 4
1) Struktur Laminat
Komposit Laminat merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis
atau lebih yang digabungkan menjadi satu dan setiap lapisannya
memiliki karakteristik khusus. Sebagai elemen sebuah struktur, lamina yang serat penguatnya searah saja (unidirectional lamina) pada umumnya tidak menguntungkan karena memiliki sifat yang buruk. Untuk itulah struktur komposit dibuat dalam bentuk laminate yang terdiri dari beberapa macam lamina atau lapisan yang diorientasikan dalam arah yang diinginkan dan digabungkan bersama sebagai sebuah unit struktur. Terdapat beberapa lamina, yaitu:continous fiber laminate dan
15 mencapai ujung-ujung lamina. Sedangkan Discontinous fiber composite, merupakan lamina yang terdiri dari potongan serat pendek dan terputus.
2) Sandwich panels
Komposit sandwich merupakan komposit yang tersusun dari 3 lapisan yang terdiri dari:
flat composite (metal sheet) sebagai kulit permukaan (skin) material inti (core) di bagian tengahnya (berada di antaranya). Kulit penutup (merupakan material yang sama dengan kulit
permukaan
Komposit sandwich dibuat untuk mendapatkan struktur yang ringan tetapi mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Komposit sandwich dapat diaplikasikan sebagai struktural maupun non-struktural bagian internal dan eksternal pada kereta, bus, truk, dan jenis kendaraan yang lainnya
.
3. Keuntungan dan Kerugian Penggunaan Bahan Komposit
Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan dibanding dengan bahan konvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat dilihat dari beberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanikal dan fisikal, keupayaan (reliability), kebolehprosesan dan biaya produksi.
Keuntungan penggunaan bahan komposit diantaranya adalah:
a. Mempunyai densitas rendah (ringan) sehingga lebih kuat dan lebih ringan
b. Memiliki koefisien pemuaian yang rendah dan tahan terhadap cuaca c. Tahan terhadap korosi dan mudah diproses (dibentuk)
Kelemahan Penggunaan Bahan Komposit
Beberapa kelemahan penggunaan bahan yang dimiliki oleh material komposit ini, antara lain:
a. Tidak tahan terhadap beban shock (kejut) dan crash (tabrak) jika dibandingkan dengan metal.
b. Kurang elastik
16
Penggunaan komposit masih terbatas disebabkan oleh faktor ekonomi.
Karena biaya bahan mentah dan biaya fabrikasi yang tinggi. Hal ini jelas
terlihat pada bidang industri yang memanfaatkan material komposit, seperti
pada bidang penerbangan dan kelautan.
4. Aplikasi dan penggunaan material komposit
4.1 Penggunaan komposit di bidang transpostasi
a. Sebagai Komponen kapal terbang, helikopter, dan satelit ruang angkasa
Material komposit canggih kini banyak digunakan pada bagian sayap, ekor, propeller, bilah motor, dan juga struktur internal pesawat terbang. Material komposit yang digunakan dalam pesawat komersial biasanya diproduksi dengan menggabungkan lapisan karbon atau serat kaca dengan epoxy.
Penggunaan ini didasarkan pada sifat komposit yaitu berat yang lebih ringan, kekuatan dan kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung. Semua itu menghasilkan berat
17 pesawat yang lebih ringan, daya angkut yang lebih besar, hemat bahan bakar dan jarak tempuh yang lebih jauh.
b. Sebagai komponen kendaraan bermotor dan kereta api
Untuk menyiasati hal tersebut saat ini sudah banyak digunakan blok rem yang terbuat dari bahan komposit. Bahan komposit yang digunakan sebagai bahan blok rem kereta apai adalah komposit matriks logam Al-SiC (KML Al-SiC) menggunakan aluminium sebagai matriks dan partikel SiC sebagai penguat. Dengan menggunakan bahan komposit ini, ada beberapa keuntungan yang diperoleh diantaranya yaitu:
lebih ringan:
Umur pakai lebih lama: east iron diganti setiap bulan, komposit hanya perlu diganti tiga bulan sekali
Tidak memercikkan api saat pengereman
Aman dari tindakan pencurian, hal ini terjadi karena kanvas rem komposit tidak memiliki nilai sisa, sedangkan cast iron bisa dijual kiloan
Pemasangan dan pelepasan rem saat penggantian / reparasi lebih mudah
c. Sebagai Komponen kendaraan bermotor
Material serat karbon menjadi populer di industri karena kekuatan dan
bobotnya yang ringan. Pabrikan banyak mengaplikasikannya pada bodi mobil, spoiler, bodykit, kap mesin dan lainnya.
d. Industri kelautan
Blok rem kereta api adalah salah satu komponen yang paling sering perlu diganti. Bahan blok rem saat ini menggunakan bahan besi cor yang berat, mahal, dan cepat aus.
18
Kapal/perahu boat terbuat dari bahan Fiber glass Reinforced Plastic (FRP), yang jika diterjemahkan secara sederhana adalah plastik yang diperkuat oleh serat kaca.
Secara teknis, bahan komposit FRP terdiri dari bahan dasar utama sebagai berikut :
Serat penguat : kaca (E-glass), karbon, Kevlar (serat sintetis aramid), bambu, dll.
Resin (cair) : polyester, vinylester dan epoxy
Resin (cair) gelcoat : polyester, vinylester dan epoxy
dan bahan penunjang sbb:
Katalis (MEKP, methyl ethyl ketone peroxide) Pengeras (hardener) untuk resin epoxy Pewarna (pigment)
Pengental (filler)
Konstruksi FRP dibuat dengan mencampurkan serat penguat dan resin dengan menggunakan cetakan yang sesuai dengan bentuk yang diinginkan.
19 4.2 Penggunaan komposit di bidang konstruksi bangunan
Alumunium Composite Panel atau ACP adalah salah satu tipe plat panel yang mengandung bahan non-aluminium di antara dua lembar aluminium yang direkatkan. Jenis ACP menurut lapisan catnya terdiri dari 2 macam, yaitu jenis Polyester (PE) yang biasa banyak digunakan untuk interior, dan jenis PVDF (Poly Vinyl De Flouride) yang biasa di gunakan di eksterior, karena jenis ini tahan segala jenis cuaca,sehingga lapisan warna dapat bertahan lebih lama dibandingkan dengan jenis Polyester.
ACP juga bisa digunakan sebagai eksterior wall. Penggunaan ACP pada bagian ini karena terdiri dari berbagai macam warna sesuai dengan keinginan konsumen. Penggunaan ACP, membuat gedung lebih menawan dan terkesan mewah.
Gambar 8 ACP merupakan contohMaterial Komposit Struktural (Sumber: wikipediadia.org)
20
4.3 Penggunaan material komposit di bidang peralatan teknik
Oilfilter yang digunakan sebagai penyaring minyak pelumas pada mesin dan alat berat merupakan bahan komposit serat carbon reinforcemen.
4.4 Penggunaan material komposit dalam bidang kesehatan.
Material Komposit yang digunakan pada bidang kesehatan misalnya pada bahan tambalan dengan warna gigi dan alat bantu kesehatan seperti kaki palsu dan sambungan sendi pada pinggang.
4.5
Penggunaan Komposit di bidang Industri infrastruktur
Gambar 10 Oil Filter Berbahan Komposit (Sumber: Dok Pribadi)21 Material komposit saat ini juga banyak diaplikasikan untuk penggunaan
jembatan dan terowongan. Bahan komposit yang digunakan tersusun dari matriks logam dengan penguat serat serat sangat berpotensi untuk menggantikan beton dan baja pada jembatan, bangunan dan berbagai infrastruktur lainnya.Hal ini dikarenakan material komposit ini lebih tahan terhadap korosi dan mempunyai daya tahan lebih lama dan rendah biaya perawatan.
D. Aktifitas Pembelajaran
4.1. Setelah selesai pembelajaran, Anda hendaknya memperkaya wawasan tentang penggunaan bahan-bahan komposit di bengkel yang ada disekolah tempat anda mengajar dengan cara mengeksplorasi material komposit yang lazim dipergunakan, melalui kegiatan pengumpulan informasi atau dengan pengamatan langsung di bengkel serta bisa juga dengan cara berdiskusi dengan guru produktif. Selanjutnya hasil eksplorasi tadi disusun ke dalam tabel seperti contoh di bawah ini untuk memudahkan mempelajarinya.
22
--- Bahan Komposit
Program Keahlian : Teknik Konstruksi Bangunan
No Bahan Komposit Jenis Komposit Kegunaan 1 Alumunium Composite
Panel (WCP)
FC Eksterior Wall Panel
2 3 4
---
4. 2 Pengayaan materi bahan komposit juga dapat dilakukan dengan cara mengeksplorasi tayangan tentang pembuatan bahan komposit sederhana dari internet. Hal ini bisa dilakukan sebagai referensi bahan pengajaran sekaligus dapat memperkaya wawasan tentang kegiatan kewirausahaan.
E. Latihan/Tugas
Setelah mempelajari materi komposit, silahkan anda menguji pemahaman anda tentang materi tersebut dengan mengerjakan latihan soal di bawah ini!
1. Apa perbedaan mendasar antara komposit dan alloy? 2. Apa fungsi matriks pada komposit ?
3. Apa fungsi bahan penguat atau reinforced pada komposit?
4. Hal-hal apa saja yang menentukan karakteristik dari bahan komposit? 5. Sebutkan penggolongan komposit berdasarkan bahan matriksnya! 6. Sebutkan penggolongan komposit berdasarkan bahan penguatnya! 7. Jelaskan 4 keunggulan penggunaan bahan komposit!
8. Lengkapilah tabel di bawah ini!
Jenis komposit Bahan matriks Bahan Penguat Aplikasi
23 Setelah selesai mengerjakan latihan soal tersebut,kemudian mencocokkan jawaban anda dengan kunci jawaban yang tersedia. Jika skor yang anda peroleh lebih besar atau sama dengan 75 maka anda dapat melanjutkan ke aktifitas belajar 2. Jika skor yang anda peroleh kurang dari 75 maka
sebaiknya anda membaca ulang uraian materi yang ada atau membaca referensi yang disarankan. Selamat belajar dan mencoba!
F. Rangkuman
1. Material komposit adalah paduan dua bahan yang terjadi secara
makroskopis (sifat fisika dan kimia bahan masih terlihat) dimana satu bahan berfungsi sebagai matriks dan bahan lainnya berfungsi sebagai penguat
2. Sifat dan karakteristik material komposit ditentukan oleh beberapa faktor
yaitu:material penyusun komposit,bentuk dan struktur penyusun komposit, dan interaksi antar penyusun
3. Berdasarkan bahan matriks yang digunakan komposit dikelompokkan
menjadi komposit dengan menggunakan matriks logam, matriks keramik dan matriks polimer
4. Penggolongan komposit menurut bahan penguatnya adalah particulate
composite materials (komposit partikel), fibrous composite materials
(komposit serat), dan structural composite materials (komposit berlapis). 5. Kelebihan penggunaan bahan komposit antara lain adalah :
mempunyai densitas yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional.
mempunyai massa jenis rendah (ringan) sehingga lebih kuat dan lebih ringan
Memiliki koefisien pemuaian yang rendah dan tahan terhadap cuaca
Tahan terhadap korosi dan mudah diproses (dibentuk)
6. Adanya beberapa kelebihan bahan komposit tersebut menyebabkan
24
KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 : KERAMIK
A. Tujuan
Setelah menelaah kegiatan pembelajaran 2 ini, pembaca diharapkan dapat; 1. Menjelaskan definisi keramik
2. Menjelaskan sifat dan karakteristik keramik 3. Menguraikan bahan utama penyusun keramik 4. Menguraikan bahan tambahan penyusun keramik 5. Mendeskripsikan produksi keramik
6. Menguraikan penggunaan keramik pada bidang teknik
7. Mendeskripsikan peningkatan mutu pada keramik dengan proses glazing
B. Indikator Pencapaian Kompetensi
1. Definisi dan sejarah perkembangan keramik diuraikan dengan jelas
2. Sifat dan karakteristik keramik berdasarkan bahan penyusunnya diuraikan dengan jelas
3. Bahan utama dan bahan tambahan yang menyusun keramik diraikan dengan jelas
4. Produksi keramik sebagai sebuah proses panjang dan melalui beberapa tahapan dideskripsikan dengan benar
5. Menguraikan penggunaan keramik pada bidang teknik
6. Proses glazing untuk meningkatkan mutu pada keramik dideskripsikan dengan jelas
C. Uraian Materi
25
1. Pengertian dan Sejarah Keramik
Penggunaan bahan keramik untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia diawali sejak manusia mengenal api yaitu sekitar 15000 SM. Pengetahuan teknik membuat keramik diawali dengan adanya pengetahuan mengenai sifat tanah liat yang mengeras setelah dibakar. Bahan inilah yang pertama kali disebut dengan bahan keramik.
Penggunaan keramik secara massal dilakukan pertama kali oleh bangsa Romawi. Kapur berperekat (semen), oleh orang Romawi dicampur dengan benda halus dari letusan gunung berapi ternyata dapat menghasilkan bahan jauh lebih keras. Setelah itu penggunaan bahan keramik berkembang di negara Inggris dan selanjutnya ke AS. Dari negara inilah pengembangan ilmu keramik sampai menghasilkan produk/bahan yang sangat berkualitas dan bermanfaat di berbagai bidang dan dikenal dengan nama “keramik modern”. Khusus untuk keramik putih bermutu tinggi (porcelain) mengalami perkembangan pesat di daratan Cina. Kemudian lebih kurang pada abad XV pengetahuan tersebut dibawa ke Eropa oleh Marcopolo. Di benua Eropa produksi keramik jenis porcelain dilakukan pertama kali oleh seorang berkebangsaan Jerman yaitu Johnn Friedrich Bottger (1682-1719). Bottger yang bekerja pada istana Augustus Kepala negara Saxon dan raja polandia berhasil membuat porcelain keras. Hasil penemuan ini disebut dengan Porcelain Moisterner.
26 Pada masa kini keramik telah mengalami perkembangan yang pesat dengan ditemukannya keramik termaju atau canggih yang banyak diaplikasikan di bidang teknik, karena itu pengertian keramik tidak hanya terbatas pada tanah liat yang dibakar saja.
Definisi keramik adalah semua bahan anorganik bukan logam berbentuk padatan yang stabil dalam lingkungan termal atau suhu tinggi dan juga stabil terhadap bahan kimia dibandingkan elemennya
2. Karakteristik dan sifat keramik
Keramik merupakan gabungan dari beberapa unsur yang berlainan sifatnya. Komponen penyusun material keramik ada yang bersifat senyawa ionik dan ada juga yang bersifat kovalen. Gabungan kedua senyawa dengan karakter yang berbeda ini menyebabkan material keramik memiliki karakteristik yang lebih kuat dari komponen penyusunnya. Keramik memiliki karakteristik dan sifat yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi
.
Karakteristik dan sifat tersebut tersebut antara lain :
2.1 Sifat mekanik:
a.
Britle atau rapuh, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah khusus bila bahan ini digunakan untuk aplikasi strukturalb.
Kuat dan keras27
2.2 Sifat fisik
Sifat fisik dari keramik adalah mempunyai densitas yang kecil. Sebagian besar keramik adalah ikatan dari karbon, oksigen atau nitrogen dengan material lain seperti logam ringan dan semilogam. Hal ini menyebabkan keramik biasanya memiliki densitas yang kecil sehingga bersifat ringan.
2.3
Sifat Termal
a. Kapasitas panas, adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Keramik mempunyai nilai kapsitas panas yang baik sehingga keramik mempunyai sifat tahan terhadap suhu tinggi.
Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut. Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya. Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.
Adanya sifat ini menyebabkan keramik mempunyai sifat tahan terhadap suhu tinggi, sebagai contoh keramik tradisional yang terdiri dari clay, flint dan feldfar tahan sampai dengan suhu 12000 C, keramik engineering seperti keramik oksida mampu tahan sampai dengan suhu 2000oC
28 karbida dan silikon nitrida lebih dapat bertahan dari kontraksi dan ekspansi pada perubahan suhu tinggi daripada keramik-keramik lain. Oleh karena itu material ini digunakan pada bagian-bagian mesin seperti rotor pada turbin dalam mesin jet yang memiliki variasi perubahan suhu yang ekstrim.
2.4 Sifat Listrik
Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Ada yang bersifat isolator seperti BaTiO3, semikonduktor bahkan ada yang bersifat superkonduktor. Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator.
Berikut beberapa contoh keramik dengan sifat listrik: a. Keramik yang bersifat konduktor
Beberapa jenis keramik dapat menghantarkan listrik. Contohnya Chromium dioksida yang mampu menghantarkan listrik sama baiknya dengan sebagian besar logam.
b. Keramik yang bersifat semikonduktor
Jenis keramik lain seperti silikon karbida, kurang dapat menghantarkan listrik tapi masih dapat dikatakan sebagai semikonduktor.
c. Keramik yang bersifat isolator
Keramik seperti aluminum oksida bahkan tidak menghantarkan listrik sama sekali. Beberapa keramik seperti porcelain dapat bertindak sebagai insulator (alat untuk memisahkan elemen-elemen pada sirkuit listrik agar tetap pada jalurnya masing-masing) pada suhu rendah tapi dapat menghantarkan listrik pada suhu tinggi.
2.5 Sifat optik
Sifat optik yang penting dari material keramik adalah dapat mentransmisikan cahaya. Bila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, atau dipantulkan. Kemampuan bahan dalam mentransmisikan cahaya bervariasi. Kemampuan ini biasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque.
29
Hal ini terjadi melalui mekanisme polarisasi. Polarisasi adalah distorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi, sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik(fonon), dan selanjutnya panas. Seperti dalam atom, elektron-elektron dalam bahan berada dalam tingkat-tingkat energi tertentu. Absorbsi energi menghasilkan perpindahan elektron dari tingkat dasar ke tingkat tereksitasi. Ketika elektron kembali ke keadaan dasar disertai dengan pemancaran radiasi elektromagnetik.
Dalam padatan, elektron yang energinya tertinggi ada dalam orbital-orbital pita valensi dan orbital-orbital-orbital-orbital yang tidak terisi biasanya dalam pita konduksi. Gap antara pita valensi dan pita konduksi disebut gap energi. Range energi cahaya tampak 1,8 sampai 3,1 eV. Bahan dengan gap energi di daerah ini akan mengabsorbsi energi yang berhubungan. Bahan itu akan tampak transparan dan berwarna.
Sebagai contoh
gap energi CdS sekitar 2,4 eV dan mengabsorbsi komponen cahaya biru dan violet dari sinar tampak. Tampak bahan tersebut berwarna kuning-oranye.
Bahan dengan gap energi kurang dari 1,8 eV akan opaque, sebab semua cahaya tampak akan diabsorbsi.
Material dengan gap energi lebih besar 3,1 eV tidak akan menyerap range sinar tampak dan akan tampak transparan dan tak berwarna. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.
Cahaya yang diemisikan dari transisi elektron dalam padatan disebut luminesensi. Bila terjadi dalam selang waktu yang pendek disebut flouresensi, bila didalam selang waktu yang lebih panjang disebut fosforisensi.
30 mungkin dapat mengakibatkan bahan menjadi translusen atau opaque. Hamburan semacam ini terjadi antara lain di batas butiran, batas fasa, dan pori-pori.
2.6 Sifat Kimia
Kestabilan kimia, salah satu sifat khas dari keramik adalah kestabilan kimia. Keramik lebih resisten terhadap korosi dibanding plastik dan logam. Keramik biasanya tidak bereaksi dengan sebagian besar cairan, gas, alkali dan asam.
2.7 Sifat Magnetik
Keramik yang mengandung besi oksida (Fe2O3) dapat memiliki gaya magnetik mirip dengan magnet besi, nikel dan cobalt. Keramik berbasis besi oksida ini biasa disebut ferrite. Keramik magnetis lainnya adalah oksida-oksida nikel, senyawa mangan dan barium. Keramik bermagnet biasanya digunakan pada motor elektrik dan sirkuit listrik dan dapat dibuat dengan resistensi tinggi terhadap demagnetisasi. Ketika elektron-elektron disejajarkan sedemikian rupa, keramik dapat menghasilkan medan magnet yang sangat kuat dan sukar demagnetisasi (menghilangkan medan magnet) dengan memecah barisan elektron tersebut.
3. Bahan Baku dan Produksi Keramik
Bahan baku pembuatan material keramik dapat dikelompokkan menjadi bahan utama dan bahan tambahan. Penggunaan bahan ini didasarkan pada komposisi untuk membentuk keramik.
3.1 Bahan Utama
Bahan utama yang digunakan untuk membuat produk keramik klasik, yaitu lempung atau tanah liat
.
Lempung merupakan aluminium silikat hidrat yang tidak terlalu murni yang terbentuk sebagai hasil pelapukan dari bahan beku yang mengandung feldspar sebagai salah satu mineral asli yang penting.Reaksinya dituliskan sebagai berikut :
31
ukuran partikel, sifat keliatan dan komposisi kimianya yaitu tanah liat kaolin, ball clay dan fire clay.
a. Tanah liat kaolin (china clay)
merupakan lempung berwarna putih karena kandungan besi kurang dari 1%, berukuran partikel sederhana, kurang keliatannya/sifat plastis.
Tanah liat jenis ini merupakan tanah liat yang paling penting dalam pembuatan keramik karena mempunyai sifat diantaranya:
1) Tidak terlalu plastis,
2) Kekuatan keringnya rendah, 3) Titik leburnya 1700oC-1785oC,
4) Dalam keadaan kering berwarna putih,
5) Memberi warna putih pada masse badan keramik, dan 6) Setelah dibakar berwarna putih.
Rumus kimia kaolin sama dengan kaolinite yakni Al atau biasa disebut
aluminium silika hidrat (Al2O3.SiO2.2H2O) mempunyai perbandingan berat dari
unsur-unsurnya yaitu:
Ball clay kaolin
32 47% oksida silinium (SiO2)
35% oksida aluminium (Al2O3)
24% air.Berdasarkan analisis kimia, analisis besar butiran dan sifat fisisnya kaolin dapat dibagi menjadi 4 kelas yaitu:
1) Kelas porselin (porcelain) adalah keramik vitrifikasi translusen dengan glasir keras yang tahan abrasi pada tingkat maksimum.
2) Kelas keramik saniter (sanitary ware), dibuat dari lempung biasanya berpori; karena itu sekarang menggunakan komposisi kekaca. Kadang-kadang bersama komposisi triaksial ditambahkan oleh juga grog kekaca ukuran tertentu yang telah mengalami pembakaran pendahuluan.
3) Kelas keramik batu (stone ware), adalah jenis yang tertua di antara barang keramik, dan telah digunakan jauh sebelum pengembangan porselin; bahkan, keramik ini dapat dianggap sebagai porselin kasar yang pembuatanya tidak dilakukan dengan teliti dan terbuat dari bahan baku bermutu rendah.
4) Kelas keramik tanah (earthen ware), kadang-kadang disebut barang pecah belah kekaca (semivitreous dinnerware) adalah keramik berpori dan translusen dengan lunak semi glasir .
b. Tanah liat bola (ball clay) berwarna hitam atau kelabu
Ball clay ditambahkan padabahan utama keramik kaolin dengan tujuan untuk menambah plastisitas bahan dan kekuatan keringnya. Ball clay
adalah suatu lempung sedimentair yang mempunyai butiran-butiran sangat halus biasanya mengandung bahan organik dengan kadar silika dan alumina yang tinggi. Ball clay biasanya berwarna abu-abu tua karena adanya karbon. Makin banyak karbon yang dikandung ball clay makin bersifat plastis. Sifat plastis ini akan memberikan pertolongan selama pembentukan, karena kuarsa dan feldspar tidak plastis.
Tujuan pengunakan ball clay di dalam badan keramik adalah:
1) Meningkatnya workability masa plastis, terutama dalam proses pengeringan
33
3) Meningkatnya fluiditas masse cor, dan
4) Mengandung bahan pelebur yang dapat membantu sintering. Kerugian penggunaan ball clay antara lain:
1) Umumnya kadar besi oksida dan titania agak tinggi maka akan mempengaruhi derajat putihnya dari badan keramik,
2) Mengurangi sifat daya tembus dari badan keramik
3) Umumnya ballclay mempunyai sifat-sifat yang sangat variabel sehingga sangat sukar diperoleh masse cor yang baik.
c. Feldspar
Merupakan tanah liat berwarna kemerahan, berukuran partikel antara sederhana dan besar dan komposisi besi oksida yang tinggi.
Ada tiga jenis feldspar yaitu:
1) Potash (K2O ) dengan rumus K2O. Al2O3. 6SiO2 2) Soda (Na2O ) dengan rumus Na2O. Al2O3. 6SiO2 3) Lime ( Ca2O) dengan rumus Ca2O. Al2O3. 6SiO2
K-feldspar paling banyak digunakan dalam pembuatan bodi keramik, karena sangat aktif melarutkan kuarsa dalam clay, membentuk massa gelas yang sangat kental sehingga akan merekatkan bahan-bahan yang tidak larut, dan menyebabkan bodi padat, tidak tembus air dan tidak tembus cahaya.
Feldspar berfungsi sebagai bahan pelebur (fluks) yang akan memberikan kemungkinan terbentuknya masse badan yang lebih padat dan rapat setelah dibakar, baik untuk komposisi badan keramik maupun untuk pembuatan glasir. Pada saat dibakar feldspar akan meleleh dan membentuk lelehan gelas yang menyebabkan partikel-partikel clay
bersatu bersama. Partikel-partikel gelas ini memberikan kekerasan dan kekuatan pada masse badan keramik. K-feldspar merupakan pelebur terbaik dibandingkan Na-feldspar dan Ca-feldspar.
Sifat-sifat feldspar adalah:
1) Tahan pada suhu 1250oC-1280oC, 2) Sebagai bahan pelebur (fluks), 3) Tidak plastis,
34 5) Merendahkan suhu bakar dari bahan lain.
3.2 Bahan Tambahan
a. Kuarsa/Silika
Pasir kuarsa adalah bahan galian yang terdiri atas kristal-kristal silika (SiO2) dan mengandung senyawa pengotor yang terbawa selama proses pengendapan. Pasir kuarsa mempunyai komposisi gabungan dari SiO2, Fe2O3, Al2O3, TiO2, CaO, MgO, dan K2O, berwarna putih bening atau warna lain bergantung pada senyawa pengotornya.
Kuarsa/Silika digunakan untuk menambah kemampuan bentuk dan pengeras, sedangkan dalam glasir kuarsa ini berfungsi sebagai penggelas.
b. Kapur;Whiting. Whiting digunakan pada campuran tanah liat bakaran suhu rendah dan menengah. Whiting ini berfungsi sebagai flux, yaitu untuk menurunkan suhu bakar.
c. Dolomite. Dolomite merupakan bahan kombinasi antara Calcium Carbonate dengan Magnesium Carbonate yang berfungsi sebagai flux atau penurun suhu dalam campuran tanah liat, bahan ini termasuk bahan yang tidak plastis.
d. Aluminium. Unsur aluminium di dalam keramik terdapat di dalam kaolin, ball clay, dan feldspar. Dalam glasir aluminium berfungsi untuk mengontrol dan mengimbangi pelelehan serta memberikan kekuatan pada badan keramik dan glasir.
35
Unsur kaolin akan memberikan Al2O3 (tidak plastis tetapi cukup murni) sedangkan ball clay akan memberikan Al2O3 plastisitas (plastis tetapi tidak murni).
e. Talk. Talk merupakan campuran Magnesium silicate hidrosid yang mempunyai formula 3MgO4SiO2..H2O.
Talk jika dibakar pada suhu diatas 550oC akan kehilangan air. Talk merupakan pelebur yang baik, dan badan keramik yang mengandung bahan ini akan cepat padat, disamping itu talk dicampur lempung dipakai untuk pembuatan alat-alat bantu bakar, cooking ware dan barang-barang refraktori yang tidak perlu bekerja pada suhue yang sangat tinggi, tetapi juga harus mempunyai sifat tahan kejut yang baik. Pada pembuatan keramik talk berfungsi sebagai flux pada bakaran rendah dan menambah daya rekat glasir pada badan keramik sekaligus mencegah timbulnya keretakan pada glasir.
f. Grog. Grog adalah bahan tanah liat yang telah dibakar biskuit dan kemudian digiling halus, mempunyai butiran halus sampai kasar, berfungsi untuk mengurangi plastisitas dan penyusutan dalam badan keramik.
g. Air, penambahan air pada bahan baku pembuatan badan keramik adalah untuk membuat campuran tersebut bersifat plastis agar mudah dibentuk tanpa mengalami keretakan. Apabila badan keramik tersebut telah dibentuk maka akan kuat mengalami proses selanjutnya, misalnya pada waktu diangkat untuk dikeringkan, didekorasi ataupun disusun dalam tungku maka barang tersebut tidak akan pecah atau mudah rusak. Prosentase penggunaan air dalam badan keramik ataupun glasir perlu dihitung secara cermat karena akan sangat berpengaruh terhadap pembentukan masse dan glasir tersebut.
3.2 Produksi dan Pembuatan Keramik
36 Tahapan proses dalam pembuatan keramik saling berkaitan antara satu dengan yang lainnya. Kesalahan di awal tahapan proses akan menghasilkan produk yang tidak maksimal.
a. Pengolahan Bahan
Tujuan pengolahan bahan ini adalah untuk mengolah bahan baku dari berbagai material yang belum siap pakai menjadi badan keramik plastis yang telah siap pakai. Di dalam pengolahan bahan ini ada proses-proses tertentu yang harus dilakukan antara lain:
1) pengurangan ukuran butir,
pengurangan ukuran butir dapat dilakukan dengan penumbukan atau penggilingan dengan ballmill.
2) penyaringan,
penyaringan dimaksudkan untuk memisahkan material dengan ukuran yang tidak seragam. Ukuran butir biasanya menggunakan ukuran mesh. Ukuran yang lazim digunakan adalah 60 – 100 mesh.
3) pencampuran dan pengadukan
pencampuran dan pengadukan bertujuan untuk mendapatkan campuran bahan yang homogen/seragam. Pengadukan dapat dilakukan dengan cara manual maupun masinal dengan blunger maupun mixer. Mixing menghasilkan campuran yang homogen yang akan berpengaruh kepada microstruktur keramik. Mixing dapat dilakukan pada kondisi vakum untuk menghilangkan gelembung udara
4) pengurangan kadar air.
Pengurangan kadar air dilakukan pada proses basah, dimana hasil campuran bahan yang berwujud lumpur dilakukan proses lanjutan, yaitu pengentalan untuk mengurangi jumlah air yang terkandung sehingga menjadi badan keramik plastis. Proses ini dapat dilakukan dengan diangin-anginkan diatas meja gips atau dilakukan dengan alat filterpress.
5) pengulian.
37
badan keramik yang telah diuli, disimpan dalam wadah tertutup, kemudian diperam agar didapatkan keplastisan yang maksimal
b. Pembentukan badan keramik
Tahap pembentukan adalah tahap mengubah bongkahan badan tanah liat plastis menjadi benda-benda yang dikehendaki.
Ada tiga teknik utama dalam membentuk benda keramik yaitu pembentukan tangan langsung (handbuilding), teknik putar (throwing), dan teknik cetak (casting).
c. Pengeringan
Setelah benda keramik selesai dibentuk, maka tahap selanjutnya adalah pengeringan. Tujuan utama dari tahap ini adalah untuk menghilangkan air plastis yang terikat pada badan keramik.
Ketika badan keramik plastis dikeringkan akan terjadi 3 proses penting: Gambar 16 Pembentukan Keramik Dengan Teknik Cetak
38 (1) Air pada lapisan antarpartikel lempung mendifusi ke permukaan,
menguap, sampai akhirnya partikel-partikel saling bersentuhan dan penyusutan berhenti
(2) Air dalam pori hilang tanpa terjadi susut
(3) Air yang terserap pada permukaan partikel hilang.
Tahap-tahap ini menerangkan mengapa harus dilakukan proses pengeringan secara lambat untuk menghindari retak/cracking terlebih pada tahap pertama. .Efek dari pemanasan yang utama yaitu mendorong air kristal keluar, ini terjadi pada suhu 600-650oC dengan menyerap sejumlah besar kalor, meninggalkan suatu campuran amorf alumunia dan silica, seperti terlihat dari penelitian dengan sinar X.
Keseluruhan reaksi yang terjadi pada pemanasan lempung adalah : 3Al2O3.2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O 3 (Al2O3.2SiO2.2H2O)
Kaolin Munit kristobalit d. Pembakaran
Pembakaran merupakan inti dari pembuatan keramik dimana proses ini mengubah massa yang rapuh menjadi massa yang padat, keras, dan kuat. Pembakaran dilakukan dalam sebuah tungku/furnace suhu tinggi.
Pembakaran tahap pertama pada pembuatan keramik disebut dengan pembakaran biskuit. Pembakaran biskuit merupakan tahap yang sangat penting karena melalui pembakaran ini suatu benda dapat disebut sebagai keramik. Biskuit (bisque) merupakan suatu istilah untuk menyebut benda keramik yang telah dibakar pada kisaran suhu 700 – 1000oC.
e. Pengglasiran
Pengglasiran merupakan tahap yang dilakukan sebelum dilakukan pembakaran pada bahan keramik mentah yang sudah dicetak.
Glasir merupakan lapisan gelas tipis yang melekat pada permukaan barang keramik (body keramik).
Fungsi glasir pada produk keramik adalah untuk menambah keindahan, supaya lebih kedap air, dan menambahkan efek-efek tertentu sesuai keinginan (misalnya ketahanan kimia dan kekuatan mekanik).
39
Proses pengglasiran ada yang dibedakan berdasarkan bahan yang digunakan dan sifat setelah pembakaran
1) Proses glasir berdasarkan bahan yang digunakan Glasir timbal
Glasir yang didalam komposisi bahannya masih menggunakan timbal.glasir jenis ini tidak boleh digunakan untuk piranti makan/makanan karena beracun
Glasir nontimbal
Bahan glasir bisa berupa alkali (Na dan K), atau material feldspar 2) Proses glasir berdasarkan sifat setelah pembakaran
Transparan, adalah glasir yang dihasilkan bening dan tembus cahaya sehingga warna badannya dapat terlihat
Opaque/menutup adalah glasir yang dihasilkan menutup warna badan benda. Bahan yang sering dipakai untuk glasir opaque adalah SnO2,.TiO2,ZrO2, dan CdO2
Tujuan estetika mendapat perhatian lebih besar pada proses glazir karena hal ini akan meningkatkan mutu dan kualitas keramik yang dihasilkan. Warna menjadi komponen utama dalam hal ini
Ada dua (2) jenis pewarna yang digunakan dalam mewarnai glasir yaitu: 1) Oksida logam
40 Beberapa oksida logam yang lazim digunakan pada proses glazing antara lain:
Cobalt oksida/cobalt karbonat untuk menghasilkan warna biru Tembaga oksida/tembaga karbonat untuk menghasilkan warna hijau Krom oksida untuk menghasilkan warna hijau
Besi oksida untuk menghasilkan warna coklat
Mangan oksida/mangan karbonat untuk menghasilkan warna ungu
2)
Stain/pigmen warna
.
Stain adalah bubuk pewarna yang dibuat melalui proses pembakaran dari oksida logam dan bahan-bahan lain. Stain cenderung menghasilkan warna yang lebih stabil tetapi persentase yang digunakan lebih banyak dari pada oksida logam. Warna-warna yang diperoleh dari stain mempunyai variasi yang lebih beragam, karena stain merupakan hasil rekayasa olahan industri.
Warna-warna lain dihasilkan dari kombinasi warna-warna dasar tersebut. Tingkat kekuatan warna (tua-muda) dihasilkan dari banyaknya bahan yang ditambahkan.
F. Penggunaan Bahan Keramik
Keramik mempunyai berbagai penggunaan, dapat digunakan sebagai barang keperluan sehari-hari di rumah maupun dalam industri. Bahan-bahan keramik dapat digunakan membuat berbagai komponen/produk seperti dibawah ini
1. Keramik konvensional, banyak digunakan pada batu bata, riol , pot
bunga, lantai dan dinding.
41
2. Keramik putih, banyak digunakan pada peralatan meja makan (seperti
piring, teko, mangkuk), peralatan kamar mandi, perhiasan rumah.
3. Keramik refraktori, banyak digunakan sebagai batu untuk tanur kupola,
serabut keramik, semen mortar, liner yang di gunakan pada suhu tinggi seperti di tanur peleburan besi, aluminium dan sebagainya. Pembahasan lebih mendalam tentang refraktori akan diberikan pada kegiatan belajar 3 4. Keramik listrik
Beberapa jenis keramik digunakan dalam kelistrikan karena keramik mempunyai sifat rintangan listrik yang tinggi. Sifat kekuatan listrik dan magnet yang tinggi cocok digunakan sebagai magnet dalam alat pembesar suara (loud speaker). Salah satu contoh adalah penggunaan material keramik sebagai bahan isolator listrik dari tegangan rendah sampai tegangan tinggi. Bahan isolasi berguna sebagai suatu penyekat antara 2 buah penghantar yang mempunyai perbedaan tegangan dimana didalam bahan ini elektron terikat kuat pada inti atom sehingga konduksi elektron tidak tejadi. Isolator listrik merupakan suatu alat yang penting digunakan pada jaringan listrik. Berdasarkan kegunaannya, isolator mempunyai 2 fungsi yaitu:
a. Fungsi kelistrikan
Sebagai penyekat arus listrik sehingga arus listrik tidak merambat pada benda lain selain jaringan yang sudah ditentukan
b. Fungsi mekanik
Sebagai tempat bertambatnya konduktor yang akan melindungi dari berbagai kendala di lapangan seperti perubahan cuaca, perubahan suhu, hujan, dan angin dalam waktu yang cukup lama
42 Bahan yang digunakan untuk membuat keramik listrik ini adalah:
35% feldspar (K Na) AlSi3O8 35% kaolin (Al2O3-2SiO2-2H2O) 30% silika (SiO2)
Bahan aditif Alumina (Al2O3) atau kalsium karbonat (CaCO3) Komposisi ini akan menempatkan keramik porselen dalam sistem fase
(K Na)2O-Al2O3-SiO2 5. Keramik Modern
a. Keramik Oksida
Contohnya: Abrasif, Substrat elektronik, Mata pahat, Komponen mesin.
b. Keramik Bukan Oksida
Contohnya ialah turbin gas, komponen mesin, abrasif, mata pahat, nozel roket dan lain-lain. Mata pahat berbahan keramik dari alumunium oksida terletak pada sisipan pahat pemotong. Bahan ini mempunyai kompresi yang tinggi tetapi agak rapuh. Titik leleh keramik tersebut diatas 1100oC.
c.
Keramik KompositContohnya ialah rotor dan komponen mesin, mata pahat, komponen untuk industri.
43
d.
Keramik KacaContohnya ialah recrystallized glasses untuk instrument atau bagian-bagian mekanik dalam kapal terbang.
e. Komponen Dapur/Oven (furnace) :
Refraktori padat, isulator, refraktori cor, penanganan logam cair, elemen pemanas, perkakas oven.(akan dibahas secara mendalam pada kegiatan belajar 3)
f. Komponen Mesin Otomotif : Busi, Sil pompa, Katup, Rotor turbocharger
Insulator pada busi terbuat dari porselen atau keramik yang berfungsi untuk memberikan topangan mekanik bagi inti elektroda yang ada ditengahnya. Bagian ini juga berfungsi sebagai isolator elektrik terhadap tegangan tinggi yang akan mengalir di inti elektroda
Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660 oC. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau dibawah 175 oC, walaupun eksterior pesawat mencapai 1400 oC.
44 D. Aktifitas Pembelajaran
Setelah mempelajari uraian materi tentang keramik anda dapat menguji tingkat pemahaman dengan membuat peta konsep tentang material keramik seperti yang dicontohkan di bawah ini:
Tersusun dari
Material keramik
Bagian-bagian keramik
Proses Produksi Klasifikasi
Badan Keramik
Glasir keramik
Bahan utama:Lempung, Jenisnya lempung
1.Kaolin---Al2O3.SiO2.2H2O 2.Ball clay---campuran 3. Feldspar—
a. Potas---K2O.Al2O3.6SiO2 b. Soda--- Na2O.Al2O3.6SiO2 c. Lime--- Ca2O.Al2O3.6SiO2
Bahan Tambahan:
1. Silika (SiO2)
2. Kapur
<
